书城科普读物探索未知-趣说放射化学
45056200000017

第17章 天然放射性元素种类(1)

钋一种天然放射性元素,化学符号Po,原子序数84,属周期系ⅥA族。半衰期最长的同位素是钋209。因纪念M.居里的祖国波兰(Poland)而命名。

1898年M.居里和P.居里在处理沥青铀矿时发现钋。M.居里在寻找矿物的放射性载体时,从沥青铀矿内与硫化铋共沉淀的馏分中提取了钋。

存在已发现质量数192~218的全部钋同位素,除钋210、钋211、钋212、钋214、钋215、钋216、钋218是天然放射性同位素外,其余都是通过人工核反应合成的。天然存在的钋是三个天然放射性衰变系的成员,存在于所有铀矿石、钍矿石中;在达到放射性平衡的矿石中,钋与铀的重量比为7.6×10-11∶1。地壳中钋的平均丰度为3×10-14%,每吨铀矿石约含100微克钋。

性质钋为银白色金属。钋210是钋的最重要的同位素。

钋在黑暗中发光,熔点为254℃,沸点962℃,低温时具有简单立方晶格(α型),大约36℃时转变为简单菱形体晶格(β型),β型钋的密度为9.4克/厘米3。钋原子的电子构型为(Xe)4f145d26p4,氧化态为-2、+2、+4、+6,以+4氧化态最稳定,化学性质与碲和铋相似。250℃时氧可将钋氧化成二氧化钋,钋比碲更容易与酸进行反应,钋与氢或碱金属形成钋化物(如H2Po和Na2Po),+6价钋很少,但存在稳定的+2价化合物(如PoCl2),钋也能从+4价还原到+3价。

制取痕量的钋可以从铀矿石、镭盐溶液或氡的衰变产物中得到;从铀矿中提取钋是用盐酸处理提铀后的铀矿残余物,然后用硫化氢处理,铋和钋的硫化物同时沉淀下来,再进行多次分级沉淀,钋富集在溶液中,用银置换得到金属钋。提纯方法有:化学分离、电化学沉积、真空升华。毫克量的钋可用中子照射铋得到。

应用钋的放射性较镭强,可作为α放射源;也可将钋沉积在铍上,用作中子源,由9Be(α,n)12C、9Be(α,n)34He核反应产生中子。钋也可用来消除静电,还用作航天设备的热源。

元素氡是一种天然放射性元素,化学符号Rn,原子序数86,属周期系0族,为稀有气体。半衰期最长的同位素是氡222。氡有时也称为射气。

发现1899年R.B.欧文斯和E.卢瑟福在研究钍的放射性时发现氡,当时称为钍射气,即氡220。1900年F.E.多恩在镭制品中发现了镭射气,即氡222。1902年F.O.吉塞尔在锕化合物中发现锕射气,即氡219。

存在已发现质量数199~226的全部氡同位素,除了氡219、氡220、氡222是天然放射性同位素外,其余都是通过人工核反应合成的。天然氡同位素都是镭衰变的产物,而镭又是铀镭、锕铀和钍放射性衰变系的中间产物。由于地球表面的岩石和土壤中含有微量的铀和钍,在土壤、地表水和大气中都含有氡。大气中氡的浓度受到气象与地质等因素的影响,变化较大。根据世界各地的调查,一般室外空气中氡222的平均放射性浓度约为(0.4~2)×10-2贝可/升。由于氡的密度较大,空气中氡的相对含量随海拔高度的增加而迅速减少。氡在地壳中的含量极微。

性质在通常条件下,氡是无色无味的气体,在标准状况下,氡的密度为9.73克/升。氡较易压缩成无色的发磷光的液体,沸点为-61.8℃,密度为4.4克/厘米3。固体氡有天蓝色的钻石光泽,熔点为-71℃。氡原子的电子构型为(Xe)4f145d26p6,氧化态为+4、+2,化学性质极不活泼,氡分子由单原子组成。与其他惰性气体相比,氡显著地溶于水,在0℃和1大气压下,1体积水可溶解0.507体积的氡。氡更易溶于煤油、甲苯、二硫化碳等有机溶剂。氡能和水、酚等形成络合物。氡很容易吸附于橡胶、活性炭、硅胶和其他吸附剂上,加热到350℃时,氡又能从活性炭上全部解吸下来。可以利用这一特性将氡与其他气体杂质分离。

已制得的氡化合物仅有氟化氡,它与氙的相应化合物类似,但更稳定,更不易挥发。氡的氟化物可在250℃下和真空中进行蒸馏。

应用将铍粉和氡密封于管中,氡衰变时放出的α粒子与铍原子核进行(α,n)核反应,产生中子,可用作实验室的中子源。氡还可用作气体示踪剂,用于研究管道泄漏和气体运动等。

毒性氡222属中毒性核素,通过呼吸系统进入人体后,能引起肺癌,也能严重地损伤肾脏。放射性工作场所空气中氡的最大容许放射性浓度为1.1贝可/升。

钫是一种天然放射性元素,化学符号Fr,原子序数87,属周期系IA族。半衰期最长的同位素是钫223。

发现1939年法国的M.佩雷在研究铀矿中锕227的衰变产物时发现:在锕-铀放射性衰变系中,锕227主要发生β衰变,但有1.2%分支发生的是α衰变,其衰变产物是钫223(锕K)。为纪念发现者佩雷的祖国——法国(France)——而命名。

存在已发现质量数201~230的全部钫同位素,除钫223、钫224是天然放射性同位素外,其余都是通过人工核反应合成的。钫223在铀矿中的含量极低,与铀的原子比约为1∶3×1018。钫224是在钍矿里发现的,它是锕228的α分支衰变子体,含量极少。

性质金属钫为体心立方晶格;熔点27℃,沸点677℃,密度2.48克/厘米3(20℃)。钫原子的电子构型为(Rn)7s1,氧化态为+1,化学性质活泼。所有钫盐都是水溶性的。此特性既有利于用载体使钫同其他金属离子分离,又造成难于找到沉淀钫的合适载体。仅有高氯酸铯、氯铂酸铯、硅钨酸钯、氯钽酸铯等少数化合物能以同晶共沉淀方式载带钫。

镭是一种天然放射性元素,化学符号Ra,原子序数88,原子量226.0254,属周期系ⅡA族,为银白色金属。镭的放射性很强,其英文名来源于拉丁文radius,原意为“射线”。

发现1898年M.居里和P.居里等从沥青铀矿矿渣中发现了镭,1902年分离出90毫克氯化镭,初步测定了镭的原子量。

存在已发现质量数206~230的全部镭同位素,除镭223、镭224、镭226和镭228是天然放射性同位素外,其余都是通过人工核反应合成的。镭226半衰期最长,天然丰度最大,是镭的最重要的同位素。它是铀镭放射性衰变系的成员,存在于所有铀矿石中,在达到放射性平衡的矿石中,镭与铀的重量比为3.4×10-7∶1。

镭在自然界分布很广,但含量极微。地壳中镭的平均丰度为1×10-9%,总量为1.8×107吨。海水中镭的浓度约10-13克/升,全世界海洋中约有2万吨镭。

性质镭有银白色金属光泽,熔点700℃,沸点低于1140℃,密度约5克/厘米3,体心立方晶格。镭原子的电子构型为(Rn)7s2,氧化态为+2,化学性质活泼。金属镭暴露在空气中迅速反应,生成氧化物和氮化物;与水反应生成氢氧化镭。新制备的镭盐呈白色,放置后因受辐照而变色。在镭的水溶液中,水分子辐解,每克镭每天放出13厘米3气体。

所有镭盐都与相应的钡盐同晶。硫酸镭、碳酸镭、铬酸镭和碘酸镭微溶于水;而氯化镭、溴化镭、硝酸镭和氢氧化镭易溶于水。除碳酸镭外,镭盐在水中的溶解度均较相应的钡盐小。钡与镭的性质十分相似,因此常用钡作微量镭的载体。

制取镭是铀工业的副产物。用硫酸从铀矿石浸出铀时,镭以硫酸盐形式存在于矿渣中。用热的碳酸钠溶液将硫酸镭转化为碳酸镭,然后用稀盐酸溶解,经分级结晶或离子交换色谱法分离,得到纯度较高的镭盐。中国研究出用硝酸将铀和镭一起浸出的提镭流程,在浸出液中加入铅载体和硫酸,使硫酸铅(钡、镭)沉淀;沉淀用乙二胺四乙酸碱性溶液溶解,选择沉淀除铅,通过阳离子交换树脂柱进行分离,得到纯度95%以上的镭盐。金属镭由氯化镭溶液电解还原制得。

应用在现代核工业兴起以前,镭是最重要的放射性物质,广泛应用于医疗、工业和科研等领域。镭和它的衰变产物发出的γ射线,能破坏恶性组织,故可用镭针或镭管来治疗癌症。把镭盐和硫化锌荧光粉混匀,可制成永久性发光粉;各种仪表和钟表涂了发光粉后,可在暗处发光,便于人们观测。工业上用镭作γ射线照相,对金属材料或其他固体的内部裂缝和缺陷进行无损检验。20世纪50年代以后,镭在这些方面的应用,已在很大程度上被某些人工放射性核素取代。但镭仍然是重要的放射性标准物质,如在科研和生产中,广泛使用的镭γ标准源和镭-铍中子标准源。此外,镭226还是由(n,γ)核反应制取锕227的原料。到1975年为止,全世界总共生产了约4千克镭,其中85%用于医疗,10%用来制造发光粉。

毒性镭是剧毒物质,它能取代钙而在骨骼内浓集。急性中毒时,会造成骨髓的损伤以及造血组织的严重破坏等;慢性中毒时,可引起骨瘤和白血病。镭226在人体内的最大容许积存量为3.7×103贝可,在放射性工作场所空气中的最大容许浓度为1.1×10-3贝可/升,在露天水源中的限制浓度为1.1贝可/升。

锕为一种天然放射性元素,化学符号Ac,原子序数89,原子量227.0278,属锕系元素,为银白色金属。其英文名来源于希腊文aktis(射线)。

发现1899年法国的德比埃尔内从铀矿渣中分离出锕。

存在已发现质量数209~232的全部锕同位素,除锕227和锕228是天然放射性同位素外,其余都是通过人工核反应合成的。锕227是锕-铀放射性衰变系的衰变产物,在铀矿中赋存量为每吨铀约0.2毫克;锕228又称新钍2(MsTh2),是钍放射系的衰变产物。在钍矿中赋存量为每吨钍约0.05微克。

性质金属锕在暗处发光,在空气中迅速氧化,使金属表面蒙上一层白色的氧化物。锕的熔点为1050℃,沸点3200℃,密度10.07克/厘米3,面心立方晶格。锕原子的电子构型为(Rn)6d17s2,氧化态为+3,化学性质与镧和钇十分相似。用X射线衍射法测定9种锕的化合物的结构,全部类似于相应的镧的化合物。锕(Ⅲ)的离子半径稍大于镧(Ⅲ),从而有更强的碱性,因此可用离子交换或溶剂萃取等法从镧或镧系元素中分离出锕。锕的氟化物,氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐和草酸盐是不溶性化合物,示踪量的锕常用氟化镧或草酸镧共沉淀载带。在合适的条件下,氢氧化铁、氢氧化铝、硫酸钡和碘酸锆也可以用来共沉淀示踪量的锕。用锂或钾的蒸气还原氟化锕或氯化锕,可以制得金属锕。

制取铀矿石是制取锕的天然原料,由于铀矿石中常含镧系元素,从铀矿石中提取纯锕化合物很难。镤231是锕227的母体,较易从铀矿石或铀矿渣中分离出来,可从放置时间较长的镤231中提取锕227。另一个生产锕227的重要途径是用反应堆中子辐照镭226。已用这种方法制得了克量级锕227。航天器中使用的一些热源就是用人工生产的锕227做成的。

钍是一种天然放射性元素。化学符号Th,原子序数90,原子量232.0381,属锕系元素,为银白色金属。以北欧神话中的战神Thor命名。

发现钍是瑞典化学家J.J.贝采利乌斯于1828年发现。

存在已发现质量数212~236的全部钍同位素,只有钍232是天然放射性同位素。钍在地壳中平均含量为(1.3~1.8)×10-6%,其数量与铅、钼差不多,为铀的3倍。天然淡水含钍2×10-9%,海水含钍1×10-9%。钍的可靠储量为107万吨,远景储量275万吨。

自然界中和钍离子大小相近的离子很多,如铀、钇钙、稀土元素(从镧到铥)、钠的离子,这些离子在矿物的结晶中往往互相置换而形成类质同象;因此自然界含钍的矿物很多,约有100多种,如氧化物、硅酸盐、磷酸盐、铌钽酸盐、钛酸盐和碳化物等矿物。其中有工业价值的有独居石、钍石、方钍石和铀钍矿。独居石是磷酸盐,一般含稀土氧化物55%~68%、二氧化钍4%~10%、铀0.2%~0.6%,是稀土元素和钍的重要资源。巴西、印度、挪威、美国、澳大利亚、南非、前苏联、中国等都有丰富的独居石矿床。此外,某些含钍的铀矿、氟碳钙铈矿、氟碳铈镧矿、绿层硅铈钛矿、钛铌钙铈矿以及其他铌钽酸盐矿,对于钍都具有综合回收价值。